Cherenkov Telescope Array
Type | Atmosfærisk Cherenkov Imaging Telescope |
---|
Den Cherenkov Telescope Array (på fransk netværk af Cherenkov teleskoper ), oftest omtalt af dens akronym CTA er en ny generation af jordbaserede gamma teleskoper , der arbejder i et energiområde fra få GeV til over 300 TeV . Undersøgelser af dette astronomiske observatorium begyndte i 2008. Efter en lang design- og prototypefase, der sluttede i 2009, skulle byggeriet begynde i 2020 og være afsluttet i 2025. CTA består af 118 atmosfæriske Cherenkov-billeddannelsesteleskoper af tre typer installeret på to steder. : et sted på den nordlige halvkugle i La Palma (De Kanariske Øer), der især er interesseret i undersøgelsen af ekstragalaktiske objekter med de lavest mulige energier, og et andet sted på den sydlige halvkugle nær Cerro Paranal Observatory i Chile , der dækker hele rækkevidde af energi og fokuserer på galaktiske kilder.
De mest voldelige kosmiske begivenheder, relativistiske jetfly produceret af supermassive sorte huller ( blazarer ), gammastrålesprængninger osv., Producerer gammastråling, dvs. fotoner, hvis energi er mellem et par keV og hundreder af TeV. Observation af denne stråling giver værdifuld information om processerne på arbejdspladsen, men de kan ikke observeres direkte fra jorden, fordi gammastråler opfanges af jordens atmosfære. De første observationer af gammastråler af kosmisk oprindelse blev foretaget fra 1960'erne, først ved hjælp af instrumenter om bord på vejrballoner, der hejser sig over de nedre lag af atmosfæren, derefter af rumobservatorier . Imidlertid har indbyggede instrumenter kun samleflader på et par hundrede kvadratcentimeter. Gammastråler er dog sjældne: i gennemsnit er der en gammastråle pr. Kvadratmeter pr. År fra de lyseste kilder og en pr. Kvadratmeter pr. Århundrede for de svageste kilder.
Når du kommer ind i jordens atmosfære med lysets hastighed, producerer gammastrålen kaskader af partikler ved at producere et burst af blåt lys kendt som Vavilov-Cherenkov-effekten . Dette er produceret af den enorme mængde energi, der bæres af denne stråling kombineret med det faktum, at gammastrålen trænger ind i luften med lysets hastighed, mens i dette medium har fotoner en lidt reduceret maksimal hastighed (0, 03%). Lyset produceret af dette fænomen genereres i en cirkel på 250 meter i diameter i nogle få nanosekunder. Cherenkov Telescope Array-observatoriet skal bruge atmosfæriske Cherenkov-billeddannelsesteleskoper, der udnytter dette fænomen. Disse teleskoper bruger store spejle til at konvergere Vavilov-Cherenkov-effekten produceret i det optiske domæne (synlig og ultraviolet). Vavilov-Cherenkov-effekten er ekstremt svag og varer kun et par nanosekunder. Kameraerne, der udstyrer teleskoperne, skal have ekstremt korte eksponeringstider for at kunne optage disse begivenheder. De bruger konventionelle PMT-type fotomultiplikatorrør eller SiPM-silicium- fotomultiplikatorrør til at omdanne det indsamlede lys til et billede af vandfaldet.
Den første påvisning af en gammastråle fra jorden blev udført i 1989 ved hjælp af Fred Lawrence Whipple-teleskopet . Adskillige observatorier, der udnytter Vavilov-Cherenkov-effekten, blev efterfølgende oprettet: HESS ( High Energy Stereoscopic System ) i 2002 i Namibia , MAGIC ( Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov ) i 2004 i La Palma (De Kanariske Øer) og VERITAS ( Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array) System ) i Arizona i 2005. Disse observatorier demonstrerer den tekniske levedygtighed af denne type observation og tillader, at der opnås vigtige videnskabelige resultater, hvilket baner vejen for et langt mere ambitiøst projekt, CTA.
CTA-observatoriets projekt er foreslået og udviklet af CTA-konsortiet (CTAC), der blev oprettet i 2008 og samler i 2019 mere end 1.400 medlemmer fra 200 forskningslaboratorier i 32 lande rundt om i verden. I 2014 blev CTA Observatory (CTAO) oprettet i Heidelberg for at give en juridisk ramme for driften af designkontoret og de kontrakter, der blev underskrevet for opførelsen af observatoriet. Mellem 2010 og 2013 gennemførte CTA-konsortiet en undersøgelse for at identificere steder, der sandsynligvis er vært for observatoriet. Stederne for La Palma (De Kanariske Øer) og Cerro Paranal-observatoriet i Chile blev valgt i juli 2015. I 2016 var CTA's hovedkvarter beliggende i Bologna , Italien, mens Zeuthen, nær Berlin , Tyskland , blev valgt til vært for databehandlingen centrum.
Tre arkitekturer foreslås for Small Telescope (SST). I juni 2019 blev to-spejl ASTRI ( Astrofisica con Specchi a Tecnologia replicante Italiana ) arkitektur foreslået af et team ledet af Italien (INAF) udstyret med et CHEC -kamera ( Compact High-Energy Camera ) -kamera . Arkitekturen for mellemstore og store teleskoper (MST og LST) skal være defineret inden udgangen af 2019.
Omkostningerne til projektet anslås i oktober 2019 til 310 millioner euro.
To organisationer driver projektet. CTA-konsortiet (CTAC), der i 2019 samler mere end 1.400 medlemmer fra 200 laboratorier i 31 lande rundt om i verden, definerer observatoriets videnskabelige mål og vil være ansvarlig for den videnskabelige analyse af dataene og offentliggørelsen af resultaterne . Forskningsinstitutterne, der er medlemmer af konsortiet, leverer elementer fra observatoriet og tager ansvar for dets opskrift inden idriftsættelse og videnskabelige operationer. De franske laboratorier, der deltager i den fælles indsats i laboratorier i CEA og CNRS , mere præcist i dets institutter: National Institute of Nuclear Physics and Particle Physics og National Institute of Sciences of the Universe . CTA er designet og bygget af et internationalt samarbejde mellem forskere med stærk involvering af europæiske institutioner. Projektet er på køreplaner fra det europæiske strategiske forum for forskningsinfrastrukturer (ESFRI), astropartikelfysik fra det europæiske netværk ASPERA og astrofysik i det europæiske netværk ASTRONET.
CTAO ( CTA Observatory ) er det juridiske selskab, der midlertidigt i afventning af oprettelsen af et europæisk forskningsfirma af typen European Research Infrastructure Consortium (CRIN) tager sig af design af observatoriet og dets konstruktion. I tæt samarbejde med CTAC . CTAO består af aktionærer fra 11 lande og en mellemstatslig organisation ( European Southern Observatory ) samt to associerede lande. CTAO-bestyrelsen mødes mindst en gang om året. Aktionærlandene og de forskningsorganisationer, der repræsenterer dem, er som følger:
CTAs fysikprogram går ud over astrofysik med høj energi og beskæftiger sig med kosmologi og teoretisk fysik .
CTA forventes at øge følsomheden med en størrelsesorden (10 gange) sammenlignet med nuværende generationsteleskoper ved hjælp af atmosfærisk Cherenkov-billeddannelsesteknik som HESS , MAGIC og VERITAS . Han skal finde mere end tusind nye himmellegemer kilder til gammastråler, ti gange mere end antallet af kilder, der blev identificeret på tidspunktet for hans undfangelse.
Relativistiske partikler (dvs. partikler, hvis hastighed er tæt på lysets), spiller en vigtig rolle i et stort antal astrofysiske fænomener lige fra supernovaeksplosioner til aktive galakser . Inden for det intergalaktiske miljø i vores egen galakse forstås forholdet mellem kosmiske stråler, gasskyer og magnetfelter dårligt, ligesom den samlede indflydelse på processen med dannelse og udvikling af galakse. CTA skal levere de første nøjagtige målinger af protoner og kerner, der findes i astrofysiske systemer, hvilket giver accelerations-, transport- og kosmiske stråleproducerende mekanismer i disse systemer.
Det første mål med gammaastrofysik er at identificere kilderne til acceleration af kosmisk stråling , især for at etablere hovedgeneratorerne for kosmiske stråler, som er 99% sammensat af protoner og kosmiske kerner. CTA bør besvare følgende spørgsmål, som endnu ikke er besvaret:
Svarene på disse spørgsmål skal gives ved to typer observation:
Spørgsmålet opstår, hvilken rolle disse accelererede partikler spiller i objekterne, der er vært for dem, og hvordan de transporteres over store afstande. CTA'en skal kortlægge emissionerne omkring adskillige gammastrålekilder og identificere, så den kan skelne mellem morfologien forbundet med diffusionsprocesser ( hadroner ) og køling ( elektroner ).
Partikelacceleration til meget høje energier er forbundet med ekstreme miljøer, der findes i nærheden af neutronstjerner , sorte huller eller i relativistiske stråler af stof eller i eksplosioner. Emissioner af disse partikler giver information om disse miljøer, som på grund af afstand eller afstand i tid ikke kan observeres i andre energiområder.
CTA bør hjælpe med at opdage mørke stofers natur og egenskaber . Dette, der repræsenterer 27% af universets masse og forbliver et stort videnskabeligt mysterium. Observatoriet skal observere selvudslettelse af mørke stofpartikler over et bredt massespektrum. CTA bør teste for eksistensen af partikler, der ligner aksioner og identificere mulige overtrædelser af Lorentz-invarians .
For at opfylde disse mål så effektivt som muligt favoriserer CTA observationen af visse regioner på himlen:
CTA's teleskoper er installeret på to steder, en på hver halvkugle:
For at dække det meget brede spektrum af observerede gammastråler (20 GeV til 300 TeV ) skal der anvendes tre typer teleskoper, der dækker et samlet areal på mere end en million m²:
LST | STD | OSH | |
---|---|---|---|
Observeret gammastråling | 20 GeV- 3 TeV | 80 GeV -50 TeV | 1-3 TeV |
Antal teleskoper | 4 (nordsted) 4 (sydsted) |
15 (nordsted) 25 (sydsted) |
70 (sydsted) |
Optisk type | Parabolsk | Davies-Cotton modificeret | Schwarzschild-Couder med to spejle |
Primær spejl diameter | 23 m | 11,5 m | 4,3 m |
Sekundær spejldiameter | 1,8 m | ||
Effektivt spejlområde | 370 m² | 88 m² | 8 m² |
Brændvidde | 28 m | 16 m | 2,15 m |
Totalvægt | 103 tons | 82 tons | 19 tons |
Synsfelt | 4,3 ° | 7,5 ° | 10,5 ° |
Antal pixels | 1 855 | 1.764 | 2368 |
Pixelstørrelse | 0,1 ° C | 0,17 ° | 0,19 ° |
Billedhastighed | > 7 kHz | > 6 kHz | > 0,3 kHz |
Peger tid til enhver anden position | 30 sekunder | 90 sekunder | 60 sekunder |
Pege nøjagtighed | <14 buesekunder | <7 buesekunder | <7 buesekunder |